e suas tecnologias 10
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e ne m F A S Í C U L o SITE FA R IA SB R ITO .CO M .B R Pr oi bi daar e pr oduç ãooudupl i c aç ãode s t ef as c í c ul o. Todososdi r e i t osr e s e r vados . D ISPO N ÍV EL N O C HO FASCÍ CUL O 1 0 CI ÊNCI ASDANATUREZA ESUASTECNOL OGI AS FÍ SI CA, BI OL OGI AEQUÍ MI CA CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS 10 FASCÍCULO CARO ALUNO, Neste penúltimo fascículo de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, trataremos de três objetos do conhecimento abordados significativamente no Exame Nacional do Ensino Médio – Enem. Vamos estudar as diversas manipulações da ondulatória, o estudo da Evolução e, finalmente, a concentração da solução. Bom estudo para você! INTRODUÇÃO Com o objetivo de levar as informações e enriquecer seus conhecimentos sobre as diversas manifestações da ondulatória em nossas vidas, pautado em competências e habilidades, apresentamos conceitos, exemplos, situações e questões abrangendo os diversos tipos de oscilações, que são tópicos relevantes nos mais variados exames seletivos para o ingresso nas principais universidades brasileiras, sempre tomando como referência o estilo do Exame Nacional do Ensino Médio, Enem. Tenha um ótimo proveito. Ondas transversais são aquelas em que a vibração é perpendicular à direção de propagação da onda; exemplos incluem ondas em uma corda e ondas eletromagnéticas. Ondas longitudinais são aquelas em que a vibração ocorre na mesma direção do movimento; exemplos são as ondas sonoras e em molas. Tipos de Ondas Ondas longitudinais Ondas transversais OBJETO DO CONHECIMENTO Disponível em: http://3.bp.blogspot.com Onda Onda eletromagnética Disponível em: http://www.e-escola.pt Fisicamente, uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço em meios materiais (líquido, sólido ou gasoso) ou não. Quando a onda depende do meio material para se propagar é chamada mecânica e, no entanto, existem ondas que se propagam no vácuo ou através da matéria, como é o caso das ondas eletromagnéticas. As ondas transferem energia de um lugar para outro sem que quaisquer partículas do meio sejam deslocadas; isto é, a onda não transporta matéria. Há, entretanto, oscilações sempre associadas ao meio de propagação. A onda eletromagnética é uma oscilação, em fase, dos campos elétricos e magnéticos. As oscilações dos campos magnéticos e elétricos são perpendiculares entre si e podem ser entendidas como a propagação de uma onda transversal, onde as oscilações são perpendiculares à direção do movimento da onda. O espectro visível, ou simplesmente luz visível, é apenas uma pequena parte de todo o espectro da radiação eletromagnética possível, que vai desde as ondas de rádio aos raios gama. A radiação eletromagnética encontra aplicações como a radiotransmissão, seu emprego no aquecimento de alimentos (fornos de micro-ondas), em lasers para corte de materiais ou mesmo na simples lâmpada incandescente ou ainda em transmissões de celulares. Representação de uma onda eletromagnética y E z B x Disponível em: http://4.bp.blogspot.com Ondas mecânicas Espectro eletromagnético raios gama raios X radiação ultravioleta luz visível micro-ondas radiação infravermelha ondas de rádio frequência muito baixa (VLF) Ondas em corda (3KHz = 3000Hz) frequência extremamente baixa (ELF) Onda mecânica é uma perturbação que se propaga em um meio material elástico, ou seja, em uma substância material capaz de propagar a energia da onda através das vibrações das partículas que constituem o meio. Exemplos de onda mecânica: o som; uma onda se propagando numa corda; uma onda na superfície de um líquido. direção de propagação 10 v 104 106 102 KH Hz MHzz 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 GHz 1022 1024 1026 FRE EQU UÊN NCIA radiaçção io oniza ante e rad diação o nã ão ioniza ante Disponível em: http://www.ocaduceu.com.br direção de vibração v Disponível em: http://www2.unime.it O espectro eletromagnético é classificado normalmente pela frequência de uma onda, como as ondas de rádio, as micro-ondas, a radiação infravermelha, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X, até a radiação gama. O comportamento da onda eletromagnética depende da frequência da onda. Frequências altas são curtas, e frequências baixas são longas. Onda de rádio Descrição física de uma onda Ondas de rádio são radiações eletromagnéticas com comprimento de onda maior e frequência menor do que a radiação infravermelha. São usadas para a comunicação em rádios amadores, radiodifusão (rádio e televisão), telefonia móvel. Radiação eletromagnética 10Mm 1mm 30Hz 300Ghz receptor Amplitude modulada Frequência modulada Antena receptora RECEPTOR som original Comprimento de onda (λ) é a distância entre duas cristas ou entre dois vales consecutivos. 300THz Frequência Frequência (f) é o período dividido por uma unidade de tempo e é expressa em hertz. f=1/T Ondas de Rádio Ultravioleta Infravermelho 30PHz 30EHz 300EHz Raio X Elementos de uma onda: período, frequência, comprimento de onda e amplitude 1µm Comprimento de onda 10m 1 = Elementos de uma onda 2 = Distância 3 = Deslocamento λ = Comprimento de onda g = Amplitude A radiodifusão é baseada em uma estação de rádio (transmissor) que transforma a voz dos locutores, músicas e outros sons em ondas eletromagnéticas que são enviadas para a atmosfera através de uma antena. O rádio (receptor) é um aparelho que tem a função de receber essas ondas eletromagnéticas, através de sua antena, e transformá-las em sons compreensíveis ao ouvido humano. Antena Transmissora 2 Radiodifusão 10pm γ 3 1pm 1 codificador Sintonização Filtra tudo exceto a transmissão desejada Oscilador Som reproduzido Detector (destrói tudo que não seja modulação desejada) Amplificador de Áudio controle de volume alto-falante Saída de áudio Disponível em: http://www.ocaduceu.com.br Relação fundamental da ondulatória λ=v/f onde: v → velocidade de propagação da onda f → frequência da onda A amplitude (y) de uma onda é a medida da magnitude de um distúrbio em um meio durante um ciclo de onda. 2 Propagação retilínea da luz Em um meio homogêneo e transparente, a luz se propaga em linha reta. Cada uma dessas “retas de luz” é chamada de raio de luz. O princípio da propagação retilínea da luz pode ser verificado no fato de que, por exemplo, um objeto quadrado projeta sobre uma superfície plana uma sombra também quadrada. Ciências da Natureza e suas Tecnologias Cordas vibrantes Equação do tubo aberto Cordas flexíveis e tracionadas (tensionadas) em seus extremos são utilizadas em instrumentos musicais como violão, guitarra, violino, cavaquinho etc. L fn = n ⋅ v 2 n=1 1º harmônico λ = 2L f: frequência da onda sonora no tubo n: número de harmônicos v: velocidade do som I: comprimento do tubo n=2 2º harmônico λ = L B) Tubos fechados n=3 2 3º harmônico λ = — L 3 n harmônico n 2L λ=— n Logo: fn = Vejamos na figura abaixo, onde podemos perceber que estão representadas as três primeiras ondas estacionárias, que poderão aparecer na coluna de ar do interior de um tubo fechado que contenha um comprimento útil igual a L. Veremos, abaixo, os três modos de vibração que correspondem aos 1°, 2° e 5° harmônicos, ou seja, o tubo aberto só admite harmônicos ímpares. TUBOS FECHADOS Harmônicos nV 2L λ/4 = L Onde: n: frequência da onda na corda V: velocidade da onda na corda L: comprimento da corda 3λ/4 = L Tubos sonoros Servem para emitir sons, através de uma coluna de ar, sob pressão, em seu interior. A) Tubos abertos 5λ/4 = L L Vejamos na figura a seguir, onde podemos perceber que estão representadas as três primeiras ondas estacionárias, que poderão aparecer na coluna de ar do interior de um tubo aberto que contenha um comprimento útil igual a L. Ve re m o s , a b a i x o , o s t r ê s m o d o s d e v i b r a ç ã o q u e correspondem aos 1°, 2° e 3° harmônicos. Equação do tubo sonoro fechado fi = i ⋅ v 4 f: frequência da onda sonora i: número de harmônicos ímpares v: velocidade do som I: comprimento do tubo Espectroscopia atômica Tubo aberto λ —=L 2 2λ —=L 2 3λ —=L 2 L A luz branca é composta de uma mistura de ondas eletromagnéticas de todas as frequências no espectro visível, abrangendo do violeta profundo (400 nm) para vermelho profundo (aproximadamente 700 nm). Essa mistura de ondas pode ser separada usando-se um prisma ótico, que não só desvia o raio de luz (o que é chamado refração), mas também desvia a luz de diferentes comprimentos, de quantidades diferentes (dispersão). A figura mostra um raio de luz branca sendo refratado e disperso por um prisma em uma continuidade de cores. Tal espectro é chamado espectro contínuo (o processo de obtenção de um espectro é conhecido como espectroscopia). Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3 Espectroscopia – Refração da luz EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO Anteparo C-1 índice de refração cresce frequência cresce Vermelho Laranja Amarelo Verde Azul Anil Violeta velocid. em meio refringente decresce Compreendendo a Habilidade H-1 – Reconhecer características ou propriedades de fenômenos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em diferentes contextos. 01. Radiações, como raios X, luz verde, luz ultravioleta, micro-ondas ou ondas de rádio, são caracterizadas por seu comprimento de onda (l) e por sua frequência (f). Efeito Doppler 10 V ± Vo fa = f V ± Vf Orientando a trajetória do observador para a fonte, os sinais de Vo e Vf serão positivos a favor dessa orientação e negativos contra essa orientação. observador fonte O 4 F + 108 1010 1012 1018 1020 raios gama raios X radiação ultravioleta luz visível 1014 1016 GHz 1022 1024 1026 FRE EQU UÊN NCIA radiaçção io oniza ante e Quando essas radiações se propagam no vácuo, todas apresentam o mesmo valor para a) l b)f c)V = l · f d) l / f e)2l / f O2 No afastamento entre fonte e observador, o mesmo perceberá o som emitido pela fonte mais grave (menor frequência, recebe menor número de frentes de onda na unidade de tempo) do que perceberia se fonte e observador estivessem parados. Nesse caso, o comprimento de onda aparente percebido pelo observador será maior que o comprimento da onda emitido pela fonte (observador O2 da figura acima). Observe que o motorista da ambulância não percebe nenhuma alteração no som emitido pela sirene, pois eles se movem juntos. Se denominarmos de V a velocidade do som, Vf a velocidade da fonte, Vo a velocidade do observador, f a frequência real emitida pela fonte, a frequência aparente fa percebida pelo observador será fornecida pela expressão: 104 106 102 KH Hz MHzz micro-ondas rad diação o nã ão ioniza ante O1 ondas de rádio frequência extremamente baixa (ELF) Refere-se à variação da frequência percebida por um observador quando a distância entre ele e uma fonte emissora de ondas está se aproximando ou se afastando dele. Na aproximação entre fonte e observador, o mesmo perceberá o som emitido pela fonte mais agudo (maior frequência, recebe maior número de frentes de onda na unidade de tempo) do que perceberia se fonte e observador estivessem parados. Nesse caso, o comprimento de onda aparente percebido pelo observador será menor que o comprimento da onda emitido pela fonte (observador O1 da figura abaixo). frequência muito baixa (VLF) (3KHz = 3000Hz) radiação infravermelha Prisma de Vidro comprim. de onda decresce Vela C-5 H-18 Compreendendo a Habilidade – Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. 02. Para que um objeto possa ser visível em um microscópio qualquer, o comprimento de onda da radiação incidente deve ser pelo menos comparável ao tamanho do objeto. Na física quântica, o princípio da dualidade onda-partícula, introduzido por Louis de Broglie, propõe que partículas de matéria, como os elétrons, podem comportar-se como ondas de maneira similar à luz. Um exemplo de aplicação desse princípio é o que ocorre no microscópio eletrônico, em que um feixe de elétrons é produzido para “iluminar” a amostra. O comprimento de onda dos elétrons do feixe é muito menor que o da luz; com isso, consegue-se obter ampliações mil vezes maiores do que as de um microscópio óptico. Suponha que, para visualizar o vírus H 1 N 1 em um microscópio eletrônico, um feixe de elétrons tenha sido ajustado para fornecer elétrons que se propagam com comprimento de onda igual ao diâmetro do vírus (supondo forma esférica). Se a velocidade de propagação da onda do feixe for de 104 m/s e a frequência for de 1011 Hz, assinale a alternativa que corresponde ao diâmetro do vírus H1N1. Dado: 1 nm (nanômetro) = 10-9 m. Ciências da Natureza e suas Tecnologias Inundação Falha Propagação Geração Disponível em: http://3.bp.blogspot.com a) 10 mm b) 1 nm c) 100 nm As ondas geradas podem percorrer milhares e milhares de quilômetros, possuindo uma velocidade de aproximadamente 700 km/h e mais de 10 metros de altura. As ondas geradas por tsunamis diferem das ondas normais por possuírem um comprimento de onda muito maior; enquanto ondas comuns têm um comprimento de aproximadamente 150 m, uma onda gerada por um tsunami possui um comprimento de até 100 km. Quando essas ondas atingem o continente, elas podem ser devastadoras, isso devido à grande velocidade e amplitude, chegando a destruir cidades, matando milhares de pessoas. d) 10 mm e) 1 mm FIQUE DE OLHO! A FÍSICA DA ULTRASSONOGRAFIA INTRODUÇÃO Prezado estudante, Disponível em: http://www.pontagrossa.pr.gov.br Na ultrassonografia, os aparelhos de ultrassons emitem ondas eletromagnéticas com frequência acima de 20000 Hz, por meio de uma fonte de cristal piezoelétrico que fica em contato com a pele e recebem os ecos gerados, que são interpretados através da computação gráfica. Quanto maior a frequência, maior a resolução obtida. Conforme a densidade e a composição das estruturas, a atenuação e a mudança de fase dos sinais emitidos variam, sendo possível a tradução em uma escala de cinza, que formará a imagem dos órgãos internos. A ultrassonografia permite também, através do efeito Doppler, se conhecer o sentido e a velocidade de fluxos sanguíneos. Por não utilizar radiação ionizante, como na radiografia e na tomografia computadorizada, é um método barato e ideal para avaliar gestantes e mulheres em idade de procriar. A ultrassonografia é um dos métodos de diagnóstico por imagem mais versátil, de aplicação relativamente simples e com baixo custo operacional. A partir dos últimos vinte anos do século XX, o desenvolvimento tecnológico transformou esse método em um instrumento poderoso de investigação médica. A FÍSICA DOS TSUNAMIS Tsunami deriva do japonês (porto) e nami (onda). A maioria dos tsunamis ocorre no Oceano Pacífico (cerca de 80%) e o Japão tem sofrido muito com seus efeitos. O tsunami pode ser causado pelo deslocamento de uma falha no assoalho oceânico, uma erupção vulcânica ou a queda de um meteoro, a qual transfere as ondas de choque para a água, fazendo com que grandes ondas sejam formadas. Um tsunami, na verdade, são ondas múltiplas que se propagam pela água.­ Selecionamos o conteúdo Evolução para este fascículo, uma vez que esse assunto é abordado com grande frequência no Exame Nacional do Ensino Médio, tornando-se fundamental a compreensão do papel da evolução na produção de padrões, processos biológicos ou na organização taxonômica dos seres vivos. Para ajudá-lo em sua busca pelo acesso à universidade por meio do Enem, procuramos, por intermédio dos textos que seguem, orientá-lo, fazendo-o refletir acerca do tema, desenvolvendo suas habilidades e construindo suas competências. Assim, acreditamos que você poderá aprender de forma significativa sobre esse tema tão importante para as Ciências da Natureza e suas Tecnologias. OBJETO DO CONHECIMENTO Evolução O termo “evolução” pode ser aplicado em diversos contextos e possui diferentes significados. Em uma linguagem leiga pode significar melhoria, todavia em uma linguagem biológica o termo deve ser entendido como mudança ou modificação. Exemplos: 1. Leigo: Meu carro representa a evolução dos automóveis. 2. Biólogo: A população encontra-se em evolução e seu futuro é incerto. Note que no exemplo 1 temos o sentido de melhoria, o que não ocorre no exemplo 2. A Biologia apresenta uma ampla área de conhecimentos, pois tem como objeto de estudo a vida. A compreensão correta do conceito de evolução nos levará à unificação da Biologia, como podemos observar pelas palavras de Theodosius Dobzhansky (1900-1975): “Nada em Biologia faz sentido exceto à luz da evolução”. Ciências da Natureza e suas Tecnologias 5 Assim, são diversos os questionamentos que podem ser respondidos com base em pressupostos evolutivos: Por que os peixes têm brânquias? Por que a girafa possui um pescoço tão longo? Por que existem bactérias resistentes a antibióticos? Por que ratos têm hábitos noturnos? Por que não conseguimos extinguir o mosquito transmissor da dengue? Essas são apenas algumas perguntas que podem ser formuladas. Para respondermos essas questões, precisamos entender o processo evolutivo como sendo um processo de mudança. Dois grandes cientistas são lembrados quando exploramos o tema, são eles: Lamarck e Darwin. Resumimos, a seguir, suas interpretações sobre o processo evolutivo. A sobrevivência dos seres mais adaptados serve para iniciar as repostas às perguntas elaboradas anteriormente, pois as características exibidas pelos seres estão sendo constantemente selecionadas pelo ambiente, e o resultado parcial pode ser visto nas condições que momentaneamente observamos: girafas com longos pescoços, bactérias e mosquitos resistentes etc. Jean-Baptista Lamarck (1744-1829) A Teoria da Evolução de Lamarck é fundamentada em dois aspectos: 1. Lei do uso e desuso: o uso ou o desuso de determinada estrutura define, respectivamente, seu desenvolvimento ou atrofiamento. 2. Transmissão das características adquiridas aos descendentes: os descendentes receberiam dos pais a nova condição da estrutura surgida pelo uso ou desuso do mesmo. Segundo Lamarck: • o ambiente é agente que ocasiona a transformação das espécies (transformismo). • os seres se modificam atendendo a uma necessidade imposta pelo ambiente. • há a tendência dos seres para um melhoramento constante rumo à perfeição. Observe na figura acima que os dois tipos de indivíduos existem inicialmente, mas, ao longo das gerações, o tipo 2 torna-se dominante em número na região. Perceba que segundo essa ideia, as mudanças no ambiente estão constantemente elegendo os seres que estão mais bem adaptados. Em resumo, segundo Darwin: • a variação da prole é fator decisivo para sua sobrevivência. • a evolução ocorre nas populações e não nos indivíduos. • seres que nascem com características vantajosas sobrevivem. • seres menos adaptados são eliminados. • o ambiente seleciona. Órgãos homólogos e análogos Certas espécies de seres vivos têm estruturas corporais que apresentam organização anatômica bastante semelhante. De acordo com a Evolução, essas semelhanças ocorrem porque esses animais descendem de uma espécie ancestral que viveu em um passado remoto, da qual herdaram o padrão anatômico. As ideias de Lamarck mostram-se inadequadas para a compreensão cientificamente correta dos fenômenos evolutivos. Hoje, sabe-se que as alterações causadas pelo uso ou pelo desuso das estruturas corporais não se transmitem à descendência, o que invalida a explicação de Lamarck para a evolução biológica. Charles Darwin (1809-1882) Segundo Darwin, a evolução deve ser entendida como a modificação na descendência ao longo das gerações de uma população. Em outras palavras, para que haja evolução é necessário que haja variações entre os descendentes de uma população. O mecanismo que atuaria sobre essa variação dos seres vivos seria a seleção natural, eliminando aqueles que não apresentam características que permitam seu sucesso na competição por recursos (habitat, parceiros ou comida). Entende-se então que, esse processo, atuando por muitas gerações, acarretaria a modificação de uma população, podendo a mesma extinguir-se ou aumentar sua representatividade em uma determinada área. 6 Estruturas que se desenvolvem de modo semelhante em embriões de determinadas espécies, como os membros anteriores de muitos animais vertebrados, são denominados órgãos homólogos. Como podemos observar na próxima figura, apesar da mesma origem embrionária, esses órgãos podem desempenhar funções diferentes, como é o caso dos esqueletos dos membros anteriores dos morcegos, adaptados ao voo, e dos golfinhos, adaptados à natação. Ciências da Natureza e suas Tecnologias As funções diferentes de certos órgãos homólogos são explicadas pela diversificação ocorrida ao longo da evolução; cada espécie incorporou, no decurso do tempo, características adaptativas ao seu modo particular de vida. Essa diversificação, decorrente da adaptação a modos de vida diferentes, é denominada divergência evolutiva. No entanto, há determinados órgãos que desempenham funções semelhantes em certas espécies que apresentam origens embrionárias e ancestrais completamente diferentes. É o caso, como na figura seguinte, das asas de aves e de insetos que apesar de estarem adaptadas à função de voar, têm origens embrionárias distintas. Nesse caso, são denominados órgãos análogos. Suponha que um biólogo tentasse explicar a origem das adaptações mencionadas no texto utilizando conceitos da teoria evolutiva de Lamarck. Ao adotar esse ponto de vista, ele diria que a) as características citadas no texto foram originadas pela seleção natural. b) a ausência de olhos teria sido causada pela falta de uso dos mesmos, segundo a lei do uso e desuso. c)o corpo anelado é uma característica fortemente adaptativa, mas seria transmitida apenas à primeira geração de descendentes. d)as patas teriam sido perdidas pela falta de uso e, em seguida, essa característica foi incorporada ao patrimônio genético e então transmitida aos descendentes. e) as características citadas no texto foram adquiridas por meio de mutações e depois, ao longo do tempo, foram selecionadas por serem mais adaptadas ao ambiente em que os organismos se encontram. FIQUE DE OLHO! Isso ocorre, pois, durante a evolução, a adaptação pode levar organismos pouco aparentados a terem estruturas e formas corporais semelhantes selecionadas devido a pressões seletivas similares, o que é denominado convergência evolutiva. EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO C-4 H-16 Compreendendo a Habilidade – Compreender o papel da evolução na produção de padrões, processos biológicos ou na organização taxonômica dos seres vivos. 03. (Enem-PPL/2012) Charles R. Darwin (1809-1882) apresentou, em 1859, no livro A origem das espécies, suas ideias a respeito dos mecanismos de evolução pelo processo da seleção natural. Ao elaborar a Teoria da Evolução, Darwin não conseguiu obter algumas respostas aos seus questionamentos. O que esse autor não conseguiu demonstrar em sua teoria? a) A sobrevivência dos mais aptos. b) A origem das variações entre os indivíduos. c) O crescimento exponencial das populações. d) A herança das características dos pais pelos filhos. e)A existência de características diversas nos seres da mesma espécie. C-4 H-16 Compreendendo a Habilidade – Compreender o papel da evolução na produção de padrões, processos biológicos ou na organização taxonômica dos seres vivos. 04. (Enem/2010) Alguns anfíbios e répteis são adaptados à vida subterrânea. Nessa situação, apresentam algumas características corporais como, por exemplo, ausência de patas, corpo anelado que facilita o deslocamento no subsolo e, em alguns casos, ausência de olhos. EVOLUÇÃO DE BACTÉRIAS: PESQUISA SUGERE QUE RESISTÊNCIA DE MICRORGANISMOS A ANTIBIÓTICOS PODE SER INATA A culpa de muitas cepas nocivas de bactérias se tornarem resistentes a classes inteiras de antibióticos costuma recair sobre o uso abusivo de fármacos e sobre pecuaristas zelosos com o trato de seus animais. Todavia, a capacidade de se defender de antibióticos pode ter origens profundas na história evolutiva das bactérias. Um novo estudo descobriu, em uma caverna de 4 milhões de anos, dezenas de espécies resistentes a antibióticos naturais e sintéticos. Uma equipe de pesquisadores adentrou 400 m na distante e pouco visitada caverna Lechuguilla, no Novo México, para coletar amostras de bactérias. Como poucas pessoas chegaram às regiões mais profundas desde sua descoberta, em 1986, e a água da superfície leva milhares de anos para se infiltrar através da rocha densa da formação Yates até a caverna, a área é primordial para se estudar a resistência natural a antibióticos, observaram os pesquisadores ao publicar os resultados online em 11 de abril na revista PLoS ONE. “Nosso estudo mostra que a resistência a antibióticos é inata nas bactérias”, relatou em declaração oficial o diretor do Michael G. DeGroote Institute for Infections Disease Research da McMaster University e coautor do novo estudo, Gerry Wright. “Pode ter milhões de anos de idade.” Membros da equipe também mostraram recentemente evidência genética de resistência a antibióticos em bactérias de solo de 30 mil anos atrás. Outros estudos descobriram sinais de resistência em seres encontrados no fundo do oceano e bem abaixo da superfície da Terra. Em ambos os casos, assim como na Caverna Lechuguilla, é improvável que microrganismos locais tenham sido contaminados por antibióticos modernos. Wright e seus colegas descobriram que das 93 cepas bacterianas testadas, a maioria era resistente a mais de um dos 26 diferentes antibióticos. Algumas bactérias eram resistentes a mais de doze fármacos utilizados pelos médicos, como telitromicina, ampicilina e daptomicina, que atualmente é um tratamento de último recurso no combate às infecções resistentes. É improvável que as bactérias da caverna causassem danos a seres humanos, mas poderiam fornecer as características genéticas que conferem resistência. Ciências da Natureza e suas Tecnologias 7 A descoberta dificilmente exonera seres humanos da criação de condições que exercem forte pressão seletiva sobre bactérias para se tornarem tolerantes e resistentes a antibióticos. No entanto, significa que bactérias patogênicas resistentes a medicamentos poderiam implantar caracteres genéticos já em circulação no ambiente e colocá-los em uso contra o nosso arsenal farmacêutico. “A maioria dos médicos acredita que as bactérias adquirem resistência a antibióticos na clínica”, explica Wright. “A verdadeira fonte de grande parte dessa resistência são bactérias inofensivas que habitam o ambiente”, reagindo a antibactericidas naturais. “Isto cria importantes implicações clínicas”, continua Wright, “pois sugere que existem muito mais antibióticos no ambiente que poderiam ser encontrados e utilizados para tratar infecções agora consideradas intratáveis.” Concentração em quantidade de matéria ou concentração em mol/L () Antigamente conhecida por molaridade ou concentração molar, é a unidade de concentração mais usada. Expressa a razão entre a quantidade de matéria do soluto (em mol) e o volume da solução (em litros). Matematicamente, temos: = Como a quantidade de matéria (também conhecida como número de mol) é dada pela razão entre a massa da amostra (em gramas) e a sua massa molar (em g/mol e representada por M), a relação fica: Disponível em: http://www2.uol.com.br/ sciam/noticias/evolucao_de_bacterias.html INTRODUÇÃO Neste fascículo, selecionamos para a disciplina de Química o conteúdo relacionado ao cálculo das principais unidades de concentração de soluções. O assunto, mais uma vez, será colocado em forma de resumo teórico e abordado em questões utilizando a metodologia encontrada nos exames do Enem. Selecionamos um conteúdo que proporcionasse questões em que você, caro vestibulando, pudesse verificar abordagens do cotidiano, explicações de problemas que se observa em seu dia a dia, e situações que sejam vivenciadas em nosso mundo repleto de informações. Procuramos abordar situações que, evidentemente, pudessem aparecer na prova do Enem, trazendo questões bastante contextualizadas no universo da Química. Diante do que se coloca, esse conteúdo, além de importante do ponto de vista prático e útil no que se refere ao Enem, ainda aborda um delicioso uso da matemática na resolução de problemas de Química, uma das associações mais fascinantes no universo científico. OBJETO DO CONHECIMENTO Concentração comum (C) Expressa a razão entre a massa do soluto e o volume da solução. Normalmente, vem expressa em g/L, mas outras proporções podem ser usadas, como mg/L ou g/m3. Matemáticamente, tem-se a seguinte expressão: C= m1 V Não se deve confundir a concentração comum (C) com a densidade de uma solução (d). Ambas expressam a concentração de uma solução, mas a densidade mostra a razão entre a massa da solução e o volume da solução: m d= V A densidade normalmente vem expressa em g/mL. 8 n1 V = m1 M1 ⋅ V A unidade, como o próprio nome sugere, é mol/L, mas pode-se ver em livros de referência o uso de molar ou M, com o mesmo significado. Título ou porcentagem em massa () Expressa a relação entre a massa do soluto e a massa total da solução. Normalmente, o resultado vem expresso em porcentagem. Matematicamente, temos: = m1 m1 = m m1 + m2 Às vezes, é útil expressarmos a porcentagem em volume (v), que corresponde à relação entre o volume do soluto e o volume da solução. Soluções de líquidos em líquidos (como etanol em água) ou soluções gasosas (como o ar atmosférico) comumente utilizam essa unidade. Matematicamente, a expressão fica: V v = 1 V Observação: Cuidado com as concentrações expressas em ppm (partes por milhão). Como o nome já diz, elas expressam a quantidade de partes em 106 partes. Veja: m (em mg) a) em massa: Cppm = 1 m (em kg) b) em volume: Cppm = V1 (em mL ) ( V em m3 c)massa-volume: Cppm = ) m1 (em mg) V (em L ) Solubilidade de gases em líquidos A solubilidade (S) de gases em líquidos apresenta comportamento especial, pois depende, além da temperatura, também da pressão. Assim, quando se aumenta a pressão parcial do gás (P gás ) que se deseja dissolver, observa-se um aumento da solubilidade desse gás. Ciências da Natureza e suas Tecnologias Esse efeito é usado no engarrafamento de refrigerantes, em que a solubilidade de CO2 necessita ser aumentada, e é descrito pela Lei de Henry: S = kH ⋅ Pgás onde kH é a constante da Lei de Henry e depende do gás, do solvente e da temperatura. Além disso, percebemos que os gases apresentam solubilidade inversamente proporcional à temperatura. Logo: S ~ (1 / T ) FIQUE DE OLHO! CONTAMINAÇÃO E REMEDIAÇÃO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS Durante muito tempo, por falta de informação, produtos potencialmente poluidores foram dispostos diretamente no solo. Ou em valas ou cavas ou poços: distante dos olhos. Estas práticas que hoje são condenáveis, EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO o u t ro r a e r a m c o m u n s . E f o r a m g e r a d a s i n ú m e r a s contaminações de solo e água subterrânea. Os contaminantes, ao serem depositados, ou ao C-5 H-17 Compreendendo a Habilidade vazarem, ou ao se derramarem, em resumo, ao atingirem –Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. a superfície do solo, passam a se infiltrar lentamente pelo 05. Uma solução de peróxido de hidrogênio em água é chamada comercialmente de água oxigenada. Sua concentração é medida em volumes. Uma água oxigenada de 10 volumes, comumente usada para a limpeza de ferimentos, possui capacidade de liberar 10 litros de O2 na CNTP pela decomposição completa do H2O2 contido em 1 litro de solução. Sabendo que a massa molar do peróxido de hidrogênio (H2O2) é 34 g/mol e a sua decomposição é dada por: 2 H2O2 → 2 H2O + O2, a concentração em g/L de uma água oxigenada a 10 volumes é de, aproximadamente, a) 25 g/L d) 40 g/L b) 30 g/L e) 45 g/L c) 35 g/L meio poroso, indo se encontrar com as águas do lençol freático, que é o primeiro e mais vulnerável aquífero. O solo contaminado, por permitir uma lenta lixiviação de contaminantes para as águas subterrâneas, passa a se constituir numa fonte de contaminação, armazenando fase residual de produto em seus poros. A água subterrânea contaminada, que migra por gravidade pelo aquífero, forma a pluma de fase dissolvida. Caso o produto seja imiscível com água, poderá se desenvolver uma outra fase separada, denominada fase livre, que pode estar flutuando sobre o nível d’água (se for menos denso) ou infiltrar-se para maiores profundidades (se for mais denso que a água). Finalmente, caso o contaminante seja volátil, ainda poderá se desenvolver uma fonte de vapores presentes na zona não saturada. C-7 H-24 Compreendendo a Habilidade –Utilizar códigos e nomeclaturas da química para caracterizar materiais, substâncias ou transformações químicas. Todas as fases da contaminação do meio ambiente subterrâneo merecem técnicas especiais para avaliação e remediação, pois o comportamento dos contaminantes depende tanto das propriedades físicas e químicas do 06. Uma das formas de avaliar a proporção de solutos em solução aquosa foi proposta no século XVIII pelo químico francês Antoine Baumé. O grau Baumé (ºBe) é dado por: • Para soluções com densidade menor que 1: 140 o Be = − 130 d aquífero quanto das interações de suas propriedades com • Para soluções com densidade maior que 1: 145 o Be = 145 − onde d é a densidade da solução d em g/mL. conhecimento de várias ciências e tecnologias em Uma solução de açúcar em água é formada pela dissolução de 200 g de açúcar em 350 mL de água pura (densidade igual a 1 g/mL) para formar 500 mL de solução. A concentração dessa solução expressa em grau Baumé situa-se entre a) 12 e 14 d) 18 e 20 b) 14 e 16 e) 20 e 22 c) 16 e 18 contaminantes. o meio. A hidrogeologia de contaminação, nome técnico da área de especialização que cuida da qualidade dos aquíferos impactados, é muito desenvolvida e comporta conjunto, compondo um panorama amplo e diverso para atuação na ampla gama de variedades de meios geológicos associados às variedades dos produtos potencialmente Extraído de http://www.abas.org/educacao_contaminacao.php, acessado em 30/06/2015.Para mais informações sobre águas subterrâneas, acesse http://www.abas.org/educacao.php. Ciências da Natureza e suas Tecnologias 9 EXERCÍCIOS PROPOSTOS C-1 H-1 C-1 H-1 Compreendendo a Habilidade – Reconhecer características ou propriedades de fenômenos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em diferentes contextos. Compreendendo a Habilidade – Reconhecer características ou propriedades de fenômenos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em diferentes contextos. 03. Sabemos que, em relação ao som, quando se fala em altura, o som pode ser agudo ou grave, conforme a sua frequência. 01. Quando o badalo bate num sino e o faz vibrar comprimindo e rarefazendo o ar nas suas proximidades, produz-se uma onda sonora. As ondas sonoras no ar são ______________________ e ________________. A velocidade das ondas sonoras em outro meio é _______________. Portanto, é certo afirmar que a) o que determina a altura e a frequência do som é a sua amplitude. b)quanto maior a frequência da fonte geradora, mais agudo é o som. c) o som é mais grave de acordo com a intensidade ou nível sonoro emitidos. d)sons mais agudos possuem menor velocidade de propagação que sons mais graves. e)sons graves ou agudos propagam-se com mesma velocidade no ar e no vácuo. Selecione a alternativa que preenche corretamente as lacunas. a) eletromagnéticas – transversais – igual b) mecânicas – longitudinais – igual c) mecânicas – transversais – diferente d) eletromagnéticas – longitudinais – igual e) mecânicas – longitudinais – diferente C-6 H-22 Compreendendo a Habilidade – Compreender fenômenos decorrentes da interação entre a radiação e a matéria em suas manifestações em processos naturais ou tecnológicos, ou em suas implicações biológicas, sociais, econômicas ou ambientais. 02. A diferença entre ondas mecânicas, como o som, e eletromagnéticas, como a luz, consiste no fato de que ondas de rádio FM e de TV C- 5 H-18 Compreendendo a Habilidade – Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. 04. Numa certa guitarra, o comprimento das cordas (entre suas extremidades fixas) é de 0,6 m. Ao ser dedilhada, uma das cordas emite um som de frequência fundamental igual a 220 Hz. Ionosfera Terra a) a velocidade de propagação, calculada pelo produto do comprimento de onda pela frequência, só é assim obtida para ondas eletromagnéticas. b) as ondas eletromagnéticas podem assumir uma configuração mista de propagação transversal e longitudinal. c) apenas as ondas eletromagnéticas, em especial a luz, sofrem o fenômeno denominado difração. d) somente as ondas eletromagnéticas podem propagar-se em meios materiais ou não materiais. e) a interferência é um fenômeno que ocorre apenas com as ondas eletromagnéticas. 10 Marque a proposição verdadeira. a) Se somente a tensão aplicada na corda for alterada, a frequência fundamental não se altera. b)A distância entre dois nós consecutivos é igual ao comprimento de onda. c) O comprimento de onda do primeiro harmônico é de 0,6 m. d)A velocidade das ondas transversais na corda é de 264 m/s. e)As ondas que se formam na corda não são ondas estacionárias. Ciências da Natureza e suas Tecnologias C-5 H-17 Compreendendo a Habilidade –Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. Potencial Elétrico (V) 05. Na Copa do Mundo de 2010, a Fifa determinou que nenhum atleta poderia participar sem ter feito uma minuciosa avaliação cardiológica prévia. Um dos testes a ser realizado, no exame ergométrico, era o eletrocardiograma. Nele é feito o registro da variação dos potenciais elétricos gerados pela atividade do coração. Considere a figura que representa parte do eletrocardiograma de um determinado atleta. 0,0 0,5 1,0 1,5 Tempo (S) Sabendo que o pico máximo representa a fase final da diástole, conclui-se que a frequência cardíaca desse atleta é, em batimentos por minuto, a)60 d)120 b)80 e)140 c)100 C-4 H-16 Compreendendo a Habilidade C-4 H-16 Compreendendo a Habilidade – Compreender o papel da evolução na produção de padrões, processos biológicos ou na organização taxonômica dos seres vivos. 07. (Unesp/2014) Considere a afirmação feita por Charles Darwin em seu livro publicado em 1859, A origem das espécies, sobre a transmissão hereditária das características biológicas: “Os fatos citados no primeiro capítulo não permitem, creio eu, dúvida alguma sobre este ponto: que o uso, nos animais domésticos, reforça e desenvolve certas partes, enquanto o não uso as diminui; e, além disso, que estas modificações são hereditárias”. É correto afirmar que, à época da publicação do livro, Darwin a)estava convencido de que as ideias de Lamarck sobre hereditariedade estavam erradas, e não aceitava a explicação deste sobre a transmissão hereditária das características adaptativas. b)concordava com Lamarck sobre a explicação da transmissão hereditária das características biológicas, embora discordasse deste quanto ao mecanismo da evolução. c) havia realizado experimentos que comprovavam a Lei do Uso e Desuso e a Lei da Transmissão Hereditária dos Caracteres Adquiridos, conhecimento esse posteriormente incorporado por Lamarck à sua teoria sobre a evolução das espécies. d)já propunha as bases da explicação moderna sobre a hereditariedade, explicação essa posteriormente confirmada pelos experimentos de Mendel. e) conhecia as explicações de Mendel sobre o mecanismo da hereditariedade, incorporando essas explicações à sua teoria sobre a evolução das espécies por meio da seleção natural. C-4 H-16 Compreendendo a Habilidade – Compreender o papel da evolução na produção de padrões, processos biológicos ou na organização taxonômica dos seres vivos. 08. (FGV/2015) As estruturas ilustram os ossos das mãos ou patas anteriores de seis espécies de mamíferos, não pertencentes obrigatoriamente ao mesmo ecossistema. – Compreender o papel da evolução na produção de padrões, processos biológicos ou na organização taxonômica dos seres vivos. 06. (Enem/2014) Embora seja um conceito fundamental para a biologia, o termo “evolução” pode adquirir significados diferentes no senso comum. A ideia de que a espécie humana é o ápice do processo evolutivo é amplamente difundida, mas não é compartilhada por muitos cientistas. Para esses cientistas, a compreensão do processo citado baseia-se na ideia de que os seres vivos, ao longo do tempo, passam por a) modificação de características. b) incremento no tamanho corporal. c) complexificação de seus sistemas. d) melhoria de processos e estruturas. e) especialização para uma determinada finalidade. Disponível em: http://en.wikioedia.org A transformação evolutiva de tais estruturas, ao longo das gerações, ocorre em função __________e indicam uma evidência evolutiva denominada __________. Ciências da Natureza e suas Tecnologias 11 Assinale a alter nativa que preenche, correta e respectivamente, as lacunas do parágrafo anterior. a) da variabilidade genética [...] paralelismo evolutivo b) da maior ou menor utilização das mesmas [...] analogia c) do ambiente a ser ocupado [...] coevolução d) da seleção natural [...] homologia e)de eventuais mutações genéticas [...] convergência adaptativa C-7 H-24 Compreendendo a Habilidade – Utilizar códigos e nomeclatura da química para caracterizar materiais, substâncias ou transformações químicas. 09. A fluoretação das águas de abastecimento público é a forma mais abrangente de se evitar as cáries dentárias. Segundo a Organização Mundial de Saúde, a concentração de flúor (massa molar 19 g/mol) na água que abastece uma cidade como Fortaleza deve ser de 0,7 ppm. Admitindo que todo o flúor seja proveniente do sal fluoreto de sódio (NaF, massa molar 42 g/mol), calcule a quantidade de NaF aproximada que deve ser utilizada para atender ao abastecimento mensal na cidade de Fortaleza, admitindo um consumo diário de 1 milhão de litros de água. a) 38,2 kg d) 59,8 kg b) 46,4 kg e) 65,1 kg c) 51,7 kg C-7 H-26 C-7 H-26 Compreendendo a Habilidade – Avaliar implicações sociais, ambientais e/ou econômica na produção ou no consumo de recursos energéticos ou minerais, identificando transformações químicas ou de energia envolvidas nesses processos. 11. O teor permitido de ferro (massa molar 56 g/mol) em águas subterrâneas para o uso e consumo humano é de 0,3 ppm. Em concentrações acima desse valor ocorre o fenômeno popularmente conhecido como “capa rosa”. Quando as concentrações se tornam superiores 0,5 ppm, a água pode causar nódoas em objetos de porcelana e levar a água a ter um gosto característico. Um poço com vazão de 2 m 3/min que apresenta a concentração de ferro no limite aceitável para o consumo humano, é submetido a um processo de eliminação completa do ferro presente na água. A quantidade, em mol, de ferro retirado da água em 1 hora de funcionamento do poço, situa-se entre a) 0,01 e 0,15 b) 0,15 e 0,30 c) 0,30 e 0,45 d) 0,45 e 0,60 e) 0,60 e 07,5 Compreendendo a Habilidade – Avaliar implicações sociais, ambientais e/ou econômica na produção ou no consumo de recursos energéticos ou minerais, identificando transformações químicas ou de energia envolvidas nesses processos. GABARITOS EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 10. O uso de usinas termonucleares necessita de uma fonte contínua de resfriamento. Normalmente, estão localizadas em regiões litorâneas para facilitar o acesso à água de resfriamento. Contudo, um problema ambiental consiste no retorno dessa água usada para o resfriamento dos reatores ao mar. Esse problema ocorre porque a)o fluxo de animais pelos encanamentos provoca a mortandade de animais e entupimentos das tubulações. b)a água retorna contaminada de partículas radioativas para o meio ambiente, provocando alterações nas espécies marítimas. c)a água retorna aquecida e reduz a solubilidade de oxigênio, causando a morte de peixes e outras espécies. d) a água que passa pelas tubulações de resfriamento fica contaminada pelas partículas metálicas geradas pelo desgaste do reator. e)a água retorna ao meio ambiente mais fria do que entrou, reduzindo a disponibilidade de oxigênio para as espécies marítimas. 01 02 03 04 05 06 c c b b b a 01 02 03 04 05 06 e d b d d a 07 08 09 10 11 b d b c e EXERCÍCIOS PROPOSTOS Expediente Supervisão Pedagógica: Marcelo Pena Supervisão Gráfica: Felipe Marques e Sebastião Pereira Gerente do SFB: Fernanda Denardin Projeto Gráfico: Antônio Nailton, Daniel Paiva e João Lima Editoração Eletrônica: Bruno Felipe Ilustrações: Arte FB Revisão: Herbênia Cardoso OSG.: 095527/15 12 Ciências da Natureza e suas Tecnologias
